离子敏感场效应晶体管的模型设计与仿真分析

3.0 闻远设计 2023-05-19 131 4 20.93KB 4 页免费

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　　摘要：基于半导体仿真软件 TCAD 设计了一种离子敏感场效应晶体管的模型，首先介绍了

离子敏感场效应晶体管的结构及工作原理，其次分析了敏感场效应晶体管在仿真中存在的难

题，在此基础上提出了相应的建模方式，最后在 TCAD 中成功搭建了仿真模型，通过仿真敏感

场效应晶体管的灵敏度验证了该模型的准确性，解决了 TCAD 无法模拟溶液的难题，为离子敏

感场效应晶体管的研究开辟了新的道路。

　　关键词：TCAD; 离子敏感场效应晶体管； p H 传感器；灵敏度；

Abstract:Based on the semiconductor simulation software TCAD, a model of ion sensitive field effect

transistor is designed. Firstly, the structure and working principle of ion sensitive field effect transistor

are introduced. Secondly, the problems existing in the simulation of ion sensitive field effect transistor

are analyzed. On this basis, the corresponding modeling method is proposed. Finally, the simulation

model is successfully built in TCAD The sensitivity of the transistor verifies the accuracy of the

model, solves the problem that TCAD cannot simulate the solution, and opens up a new way for the

research of sensitive field effect transistor.

Keyword:TCAD; ion sensitive field effect; p Hsensor; sensitivity;

　　引言

离子敏感场效应晶体管为一种主要的生物传感器平台，被研究者们广泛应用于监测电解质溶液

中的离子活度（p H 值）[1].这种高精度传感器具有响应速度快、成本低、体积小和 CMOS 制

造技术兼容性强的特点。也常被应用于医疗保健、食品安全、环境监测以及最近 DNA 测序等

生物反应检测等多种应用检测平台[2].正因为此，越来越多的研究者对离子敏感场效应晶体管

产生了浓厚的兴趣[3].但由于离子敏感场效应晶体管的尺寸为纳米量级，一般只能通过仿真软

件对其进行研究，而半导体仿真软件（TCAD）也不支持电解质溶液的模拟，这使得研究工作

难以进行[4].如何准确建立一个可以适配仿 TCD 的数学模型成了离子敏感场效应晶体管的研究

难题。

本文在研究离子敏感场效应晶体管的结构、原理的基础上，基于 TCAD 建立了一种可以模拟敏

感场效应晶体管的模型。该模型将半导体中的电子/空穴和溶液中的阴离子/阳离子相结合，模

拟了溶液 p H 值的变化以及溶液和绝缘层之间的界面反应，并通过仿真验证了模型的准确性，

解决了 TCAD 不支持电解质溶液模拟的难题。

　　 1　p　H 离子敏感场效应晶体管概述

p H 值是电解质溶液的一个重要指标，它在实际生活中的应用非常的广泛。p H 值的测量与现

代工业、农业、医学、生物工程、环境及科学研究等领域息息相关[5].传统 p H 的测量方法一

般是采用电位计或是 p H 试纸。但它们都有一些不足之处：电位计相对来说不是特别的方便携

带，p H 试纸虽然携带方便，但在 p H 值测量的灵敏度上仍有欠缺，只适用于日常家用或学校

实验，无法胜任一些精密测量工作。而 p H 离子敏感场效应晶体管无论是从尺寸还是精确度上

都要比前两者更有优势。理论上 p H 离子敏感场效应晶体管的尺寸可以达到纳米级别，并且在

其通电工作时灵敏度可以达到毫伏级别。

1.1 p H 离子敏感场效应晶体管工作原理

p H 离子敏感场效应晶体管的结构与 MOSFET 相似，通常都是在一块p型硅的两端进行 n+重掺

杂，形成源极和漏极，然后在恰当的位置加上绝缘层和金属电极。和 MOSFET 不同的是离子

敏感场效应晶体管的绝缘层并不直接与金属电极进行接触，而是用待检测的电解质溶液和它接

触，如图1所示。

可以从图1中看到，待检测的电解质溶液直接与绝缘层接触，并通过参比电极（一般采用银或

者氯化银）将器件连接至电路。当参比电极插入待检测溶液中后会和待检测溶液发生反应形成

一个半电池[6].同时，在待检测溶液和绝缘层接触后会和绝缘层发生界面反应产生表面电荷，

形成斯特恩双电层。此外p H 值代表着待检测溶液中氢离子的浓度，它会影响待检测溶液与绝

缘层之间的界面反应，从而改变绝缘层表面的电荷密度。这就使得待检测的电解质溶液像一个

溶液栅一样，p H 值的变化会对电路的电流、电压产生不同的影响。反之，人们可以通过器件

的I-V 特性来检测待溶液的 p H 值。

图1 离子敏感场效应晶体管结构图

1.2 p H 离子敏感场效应晶体管的灵敏度

灵敏度是 p H 离子敏感场效应晶体管的重要指标，代表器件对 p H 值的敏感程度，与器件的检

测上限直接挂钩。灵敏度越高，器件的检测上限也越高。一般会通过分析器件的转移特性对灵

敏度进行研究。

　　 2　基于 TCAD 的器件模型设计

Silvaco TCAD 是一款常用的半导体仿真软件，通常被用来研究各种半导体器件如：

MOSFET、IGBT、太阳能电池等。由于 TCAD 软件只支持导体、半导体、绝缘体三种材料的

仿真，要想在TCAD 中仿真离子敏感场效应晶体管就必须建立一个适当的物理模型对电解质溶

液进行模拟。

2.1 模型的构建

器件结构如图2所示，该结构的源极和漏极掺有不同的杂质，这种结构的特点是不管通过什么

样的方式对流体栅极施加电压，器件都会导通。当流体栅极电压增加时，栅极下方的电子浓度

会增加，从漏极到源极会形成p-n-n 结构（n-沟道），而降低流体栅极电压则会形成pp-n 结构

p-沟道）。这两种状态都可以传导电流，阈值电压（Vth）会在沟道载流子耗尽时出现。

相较于传统离子敏感场效应晶体管，该结构在仿真结果上更为准确。而传统离子敏感场效应晶

体管的 Vth 可以视为电流为0时的最大电压，在扫描流体栅极电压分析器件转移特性时，仿真

总会存在一些细微的误差导致不存在电流绝对为 0的点，这就需要人为拟定一个阈值将其视为

0,再去确定Vth,从而增大数据误差。同时为了模拟离子敏感场效应晶体管，使用了 TCAD 工具

中的一系列模型：费米-狄拉克载流子统计、klassen、Shirahata、载流子迁移率、带隙变

窄、SRH 和Auger 复合模型[5].

图2 基于 TCAD 的离子敏感场效应晶体管结构图

2.2 pH 值的确定

考虑到电解质溶液中的阴离子/阳离子和半导体中的电子/空穴具有极度相似的特点，所以在

TCAD 中将电解质溶液视为具有水的介电常数（ε=78）的半导体，并将低温下电子迁移率设置

为水中Cl-离子的值（6.88×10-4cm2·v-1·s-1），空穴迁移率设置为水中Na+离子的值（4.98×10-

4cm2·v-1·s-1）[9].

水是一种既能释放质子也能接受质子的两性物质，在一定程度上可以微弱地离解，其电离方程

为：

其中 Kω 为水的离子积（在温度t=25℃时Kω=1×10-14），定义为：水的质量作用规律与本征

半导体中的质量作用规律相似。质量作用定律表明，在热平衡条件下，自由空穴浓度 p与自由

电子 n的乘积等于本征载流子浓度 ni 的平方。载流子浓度可以用玻尔兹曼统计来给出：

其中 k是玻尔兹曼常数，Nc 是导带的最低能级，Nv 是价带的最高能级，Eg 为禁带宽度。

溶液的 p H 值描述的是溶液的酸碱性强弱程度，定义为氢离子浓度指数。它是溶液中氢离子活

度的一种标度，电解质溶解中的离子摩尔浓度与 p H 的关系式为：

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